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Der Kosmos lebt ewig!
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von Peter Ripota
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Es ist ein Dogma der Kosmologie: Weil ferne Galaxien vor uns ins Unendliche fliehen, wird ihr Licht immer röter. Doch es gibt auch eine andere Erklärung:
Licht ermüdet! Deshalb wird es rot. Diese These erschüttert unsere bisherigen Vorstellungen vom Universum: Es hat weder Anfang noch Ende. Die Urknall-Theorie wird überflüssig - und viel Ungereimtes löst sich auf.
Der junge Albert Einstein war von einer Idee fasziniert: Wie fühlt es sich an, auf einem Lichtstrahl zu reiten? Die jahrelange Beschäftigung mit diesen Fantasien brachten ihn schließlich zu seiner Relativitätstheorie. Zu dieser Zeit - um 1900 - kannte allerdings noch niemand die gigantischen Entfernungen im Kosmos. Darum wollen wir Einsteins Gedankenexperiment mit dem heutigen Wissen wiederholen.
Stellen Sie sich also vor, Sie wären ein Lichtteilchen (Photon), das in einer weit entfernten Galaxis geboren wurde und sich jetzt auf den Weg zu Erde macht. Stellen Sie sich weiter vor, diese Reise dauere nicht nur ein Jahr, auch nicht tausend Jahre, nicht eine Million Jahre, auch keine Milliarde Jahre. Nein, das einsame Photon ist zehn Milliarden Jahre unterwegs - so weit sind die gerade noch sichtbaren Leuchtobjekte in unserem Kosmos von uns entfernt. Würden Sie als Photon nicht auch irgendwann mal müde werden und einen Teil Ihrer Lebensenergie verlieren?
Wenn das der Fall wäre, wie würde sich dies auswirken? Ein Jogger, dem die Puste ausgeht, wird langsamer und langsamer, bis er stehen bleibt oder ins Gras beißt. Licht aber kann nicht langsamer werden, dann wäre es kein Licht mehr. Seine Energie ist nicht von der Geschwindigkeit abhängig (die ist immer gleich), sondern von der Wellenlänge oder Frequenz. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fand Max Planck die Formel E = hv, die Grundlage der Quantenphysik. Sie besagt: Je höher die Frequenz v einer Welle, desto mehr Energie E besitzt sie. Auf das Licht übertragen: Rotes Licht ist energetisch schwächer, blaues Licht hat wegen seiner höheren Frequenz mehr Energie.
Das merken wir beispielsweise, wenn wir uns bestrahlen lassen. Liegen wir unter einer Infrarot-Lampe, erwärmt sich die Haut angenehm, aber sonst geschieht nichts, und wenn wir versehentlich ins Licht schauen, tut das den Augen nicht weh. Ganz anders, wenn wir unter UV-Lampen liegen. Die Gefahr eines Sonnenbrands ist groß, und dicke Brillen müssen unsere Netzhaut vor der verheerenden Wirkung dieses hochfrequenten Lichts schützen. Noch schlimmer wirken Röntgenstrahlen (sehr hohe Frequenz, während Radiowellen (niedrige Frequenz) uns jederzeit durchdringen, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen.
Würde Licht also in irgendeiner Form "ermüden", weil es an Energie verliert, dann würde sich seine Farbe ändern, von Blau in Richtung Rot. Nun entdeckte der Astronom Edwin Hubble 1929, dass sich das Licht von Galaxien desto mehr nach Rot verschiebt, je weiter sie von uns entfernt sind. Sein Kollege Fritz Zwicky deutete diese Beziehung im gleichen Jahr tatsächlich als "Ermüdung" des Lichts durch Streuung an interstellaren und intergalaktischen Gasresten und Staubpartikeln. Später befürwortete auch Hubble diese Idee. In einem Brief an den Physiker R. A. Millikan vom 15. Mai 1953 schrieb Hubble: "Ich stimme mit Ihnen überein, dass die Hypothese der Lichtermüdung einfacher und weniger irrational ist."
Einfacher und weniger irrational als was? Tatsache ist: Die Deutung der "kosmologischen Rotverschiebung" als Ermüdung des Lichts finden Sie in keiner offiziellen Verlautbarung zum Zustand des Kosmos - alle Welt glaubt, das rote Licht weit zurückzuführen Objekte wäre zurückzuführen auf eine Flucht der Galaxien vor uns. Denn bewegt sich ein Objekt auf uns zu oder von uns weg, ändert sich ebenfalls seine Farbe auf Grund eines physikalischen Effekts, der nach seinem Entdecker Christian Doppler als Dopplereffekt bezeichnet wird. Sie kennen ihn alle: Nähert sich ein Einsatzwagen mit Martinshorn, klingt der Ton höher als normal. Das entspräche, auf das Licht übertragen, einer Blauverschiebung. Entfernt sich der Wagen wieder, klingt der Ton plötzlich tiefer - das Äquivalent zur Rotverschiebung.
In dieser Weise deuten alle etablierten Kosmologen - das sind diejenigen, die in wissenschaftlichen Zeitschriften publizieren dürfen - die Rotverschiebung der Galaxien und anderer kosmischer Objekte. Und das bedeutet: Je weiter entfernt eine Galaxie ist, desto höher der Rotanteil ihres Lichts, desto schneller also "läuft" sie vor uns davon. Verfolgt man dieses scheinbar explodierende Universum in der Zeit zurück, kommt man zu einem Anfang vor rund acht bis 15 Milliarden Jahren - die Schätzungen schwanken stark. Zu diesem Zeitpunkt war die gesamte kosmische Materie in einem einzigen Punkt konzentriert, der dann mit ungeheurer Wucht explodierte. Das ist die These vom Urknall, englisch "Big Bang".
Doch warum hat sich diese Hypothese - mit all ihren Widersprüchlichkeiten, auf die wir noch zu sprechen kommen - durchgesetzt? Und nicht die wissenschaftlich weit harmlosere Deutung der Rotverschiebung als Ermüdungserscheinung? Auf der Suche nach einer Erklärung müssen wir ein wenig in die Geschichte zurückgehen. Es begann wie fast alles in der Physik des 20. Jahrhunderts mit Albert Einstein, in diesem Fall mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Lösung seiner Gleichungen, auf das Universum angewandt, ergab (noch vor Entdeckung der kosmologischen Rotverschiebung) ein expandierendes oder ein kontrahierendes Universum - jedenfalls kein statisches. Einstein gefiel das zunächst gar nicht, und so schmuggelte er eine Rechengröße in seine Gleichung, die so genannte "kosmologische Konstante" - die er später, als die These vom expandierenden Universum immer mehr Zustimmung fand, flugs wieder entfernte. Immerhin gab er zu, die Konstante sei sein größter Irrtum gewesen.
Der belgische Pater Abbé Georges Lemaître dachte sich 1931 auf Grund der Einstein'schen Gleichung (jetzt ohne kosmologische Konstante) als Erster ein Universum aus, das einen zeitlichen Beginn hat und sich unaufhörlich ausdehnt. Und als dann die Rotverschiebung allgemein bekannt wurde, setzte sich seine Idee allmählich durch. Offenbar entsprach ein dynamisches Universum nicht nur dem Zeitgeist, sondern vor allem auch unseren religiösen Vorstellungen, die unsere Wissenschaft weitaus stärker geprägt haben, als wir glauben. Ist es da Zufall, dass die wissenschaftliche Hypothese von der Entstehung das Universums aus dem Nichts ausgerechnet von einem katholischen Pater stammt?
Leider zeigt sich die Analogie zur katholischen Kirche nicht nur in der Person des belgischen Paters. Gerade in der Wissenschaft, die objektiv und demokratisch sein sollte, haben sich teilweise Strömungen durchgesetzt, die an Eigenheiten und Auswüchse der Kirche erinnern: So wurde aus der Vorstellung eines Weltalls, das sich unaufhörlich ausdehnt und in dem die Galaxien immer schneller werden, je weiter sie entfernt sind, bald ein Dogma, das zu durchbrechen so gut wie unmöglich ist. Abweichler wurden mit Nichtbeachtung und Ausschluss aus der Gemeinde der Rechtgläubigen bestraft: quasi eine Inquisition - zum Nachteil der Wissenschaft.
Aber spricht nicht doch einiges für die Deutung der Rotverschiebung als Dopplereffekt? Immerhin ist dieser Effekt eine bekannte Erscheinung - ja, eine Alltagserfahrung. Für die Ermüdung des Lichts dagegen spricht nur unser Gefühl (wir werden ja auch müde), doch Gefühle sollten in der Wissenschaft nichts zu suchen haben. Und was soll eigentlich am Energieverlust des Lichts bei der Wanderung durch die ewigen Räume des Kosmos schuld sein? Zwei Mechanismem kommen dafür infrage - die Lichtstreuung oder die Schwerkraft.
Dass Licht an Gas- und Staubmoleküle, die überall vorhanden sind, gestreut wird, war die ursprüngliche Idee von Fritz Zwicky. Indes, wenn Licht seine Energie durch Streuung verliert, müssten weit entfernte Galaxien verschwommen erscheinen, was sie aber nicht tun. Doch dieser Einwand ist nicht berechtigt. Der Astronom Paul Marmet vom Herzberg Institute of Astrophysics des Nationalen Forschungsrats in Ottawa (Kanada) weist darauf hin, dass Objekte in klarer Luft auch klar bleiben, obwohl es dabei zu Milliarden Zusammenstößen der Lichtteilchen mit Luftteilchen kommt. Die Streuung des Lichts bewirkt offenbar keine Ablenkung, sondern nur eine Verzögerung infolge der Absorption und Re-Emission des Lichts durch die Luftmoleküle. Mit anderen Worten: Licht wird von Gas- und Staubteilchen geschluckt und wieder ausgespuckt - genau in der ursprünglichen Richtung seiner Reise.
Bei diesen Zusammenstößen gibt das Licht laut Marmet einen Teil seiner Energie an das Molekül ab. Diese Energie wird dann in Form einer äußerst langwelligen Radiowelle mit 1000 Kilometer Wellenlänge wieder abgeschickt. Niemand kann solche Radiowellen aufspüren - bisher. Aber wenn die molekulare "Bremse" wirkt, dann spielt möglicherweise neutraler Wasserstoff, der durch die üblichen Methoden der Astronomen nicht beobachtet werden kann, dabei eine zentrale Rolle: Im Weltall existiert sehr viel davon - genug, um dem Licht ferner Galaxien seine Energie zu rauben.
Marmets Aussagen sind vorläufig nur Thesen. Das gilt indes nicht für den zweiten Mechanismus, der mit der Lichtermüdung in Zusammenhand gebracht wird - er ist durch Beobachtung und Experiment verbürgt: die Wirkung der überall vorhandenen Schwerkraft.
Um diese Wirkung zu verstehen, müssen wir die Schwerkraft bzw. Gravitation mit der Energie in Verbindung bringen. Das gelang bereits so klugen Köpfen wie den Mathematikern Leonhard Euler (1707-1783) und Joseph Louis de Lagrange (1736-1813): Sie entwickelten die mathematische Theorie der "Potenziale". Danach besitzt jeder Himmelskörper nicht nur Schwerkraft, sondern auch ein Potenzial an Schwerkraft, das sich in Energie verwandelt - beispielsweise, wenn ein Körper emporgehoben wird und anschließend herunterfällt. Lässt man nun ein Lichtteilchen in ein solches Gravitationspotenzial fallen, gewinnt es Energie. Umgekehrt: Steigt es aus dem Potenzial wieder auf, muss es gegen die Schwerkraft "kämpfen". Dabei geht ihm Energie verloren - und verlorene Energie bedeutet, wie wir wissen, eine Verschiebung der Lichtfarbe in Richtung Rot.
Diese "gravitative Rotverschiebung" wurde inzwischen zweimal in der Praxis bestätigt. Zum einen haben Astronomen sie beim Stern Sirius B, einem "Weißen Zwerg" (das sind sehr dichte, sehr kleine Sterne), tatsächlich beobachtet. Zum anderen bestätigte ein Experiment von Robert Pound und Glen Rebka, 1962 durchgeführt mit einer sehr exakten Gammastrahlenquelle am 23 Meter hohen Turm der Harvard-Universität, die ermüdende Wirkung der Schwerkraft auf das Licht. Damit ist bewiesen: Die überall im Kosmos wirksame Schwerkraft verringert die Energie von Licht.
Indes, dieser Effekt ist sehr klein - die Energie absorbierende Kraft einzelner Himmelskörper kann nicht die gesamte kosmologische Rotverschiebung erklären. Die Erklärung, warum dieses Phänomen das ganze sichtbare Universum erfüllt, hat der amerikanische Physiker James Paul Wesley (lebt im Schwarzwald) nachgeliefert. Der Schlüssel zur Erklärung ist Einsteins berühmte Formel E=mc². Sie besagt, in der einen Richtung gelesen, dass Masse Energie enthält, also in Energie verwandelt werden kann, etwa bei der Kernspaltung. Liest man die Formel jedoch umgekehrt (und das Gleichheitszeichen erlaubt das) dann bedeutet sie, dass Energie auch Masse besitzt. Also wird beispielsweise einer Beschleunigung Widerstand entgegengesetzt ("träge Masse") oder die energiereiche Strahlung durch die Schwerkraft beeinflusst ("schwere Masse"). Man muss also, so Wesleys Argumentation, zur Energie der Schwerkraft (ihrem Potenzial) ihre geringfügige, aber doch wichtige Masse gemäß der Einstein'schen Formel hinzufügen. Auf das ganze Universum bezogen, steigen also Masse und Schwerkraft in einem solchen Maß an, dass dadurch die Rotverschiebung im kosmologischen Maßstab erklärbar wird: Je mehr Gravitationspotenziale das Licht überwinden muss, desto mehr "Zoll" in Form von Energie und Farbe muss es zahlen. Seine Frequenz sinkt, sein Rotanteil wächst, und wir brauchen keinen Dopplereffekt und keine Galaxienflucht als Erklärung - mithin auch keine Urknall-Hypothese.
Aber warum sollen wir nicht an den Urknall glauben? Schließlich finden alle anerkannten Fachgelehrten diese Hypothese in Ordnung. Doch sie birgt logische und physikalische Widersprüche. Es fängt mit der Ur-Explosion an: Wo hat sie eigentlich stattgefunden? Da, wo sich die Erde befindet (weil sich ja alle Galaxien anscheinend von uns wegbewegen)?
Mit dieser Weltanschauung stünde - wieder wie in den Zeiten vor Kopernikus und Galilei - die Erde im Mittelpunkt einer jetzt aber viel größeren Welt. Wenn jedoch das Explosionszentrum woanders liegt, warum sehen wir dann nicht mehr Sterne in diese Richtung?
Um diesen Einwand zu entkräften, dachten sich die Gelehrten etwas ganz Neues aus: Nicht die Galaxien laufen vor und davon, sondern der Raum als solcher dehnt sich in einen Hyperraum aus. Denn entfernen sich alle Dinge tatsächlich gleichförmig voneinander, wie die Rosinen an der Oberfläche eines Teigs, der im Backofen aufgeht. Aber: Wenn der Raum an sich wächst, gilt dies natürlich auch für den Raum innerhalb der Atome. Dann wächst jedoch alles - auch unsere Maßstäbe. Wie sollten wir unter dieser Voraussetzung eine Ausdehnung des Kosmos wahrnehmen können?
Auch das "Horizont-Problem" ist in der Urknall-These ungelöst. Es bedeutet, dass sich Störungen innerhalb der kosmischen Ursuppe wegen der schnellen Expansion nicht ausgleichen konnten, sodass das Weltall jetzt eigentlich ganz unregelmäßig aussehen müsste, was es aber nicht tut. Zwar gibt es im Kosmos deutlich unterscheidbare Strukturen, doch in jeder Richtung entdecken wir ungefähr das Gleiche - die gleichen Strukturen, die gleichen Massen. Um diesen Widerspruch aufzulösen, haben die Urknall-Theoretiker die These von der "kosmischen Inflation" erfunden: Gleich zu Beginn des Urknalls hat sich das Universum samt allem, was darin war (also Licht und Materie), ganz ohne Grund plötzlich milliardenmal schneller als das Licht ausgedehnt und dabei alle Materie mit eben dieser Geschwindigkeit mitgerissen. Dadurch wurde die Ursuppe kräftig durchgemischt und homogenisiert. Eine solche kosmische Inflation ist aber nach allen Formeln der Physik, insbesondere nach denen der Relativitätstheorie, absolut unmöglich - keine Masse kann auch nur annähernd Lichtgeschwindigkeit erreichen oder sie gar milliardenfach überschreiten!
In Widerspruch mit sich selbst gerät die Urknall-Hypothese weiterhin dadurch, dass sich am Rand des Universums voll ausgebildete Galaxien finden. Ihr Alter entspricht ihrer Entfernung in Lichtjahren. Ein jüngst entdeckter Quasar ist 14 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, hat also vor mindestens 14 Milliarden Jahren bereits existiert. Da man annimmt, dass Quasare aus gigantischen Schwarzen Löchern bestehen und diese sich erst im Lauf von Jahrmilliarden bilden können, bleibt die Frage: Wie gelang es dem weitentfernten Gebilde, knapp nach oder möglicherweise noch vor Erschaffung der Welt schon seit Ewigkeiten zu existieren?
Die Hauptfrage aber lautet: Woher kam denn, ganz plötzlich aus dem Nichts, das gesamte Universum? Bei den Pionieren der Urknall-Hypothese war die Masse des Universums noch in einem gigantischen Feuerball konzentriert. Inzwischen aber vertreten die Gelehrten die Idee, der gesamte Kosmos sei urplötzlich aus dem Nichts - physikalisch: aus dem Vakuum - hervorgebrochen. Klingt das nicht sehr nach dem jüdisch-christlichen Schöpfungsmythos? Wo bleibt da das heiligste Prinzip der Physik, das Prinzip von der Erhaltung der Masse und Energie?
All diese Probleme vermeidet ein Universum, das seit Ewigkeiten existiert und dessen Licht ermüdet. Nun ist es keineswegs so, das die beiden Thesen - Galaxienflucht einerseits, müdes Licht andererseits - einander ausschließen müssen. Es kann ja beides zutreffen. Für die Wissenschaft ist es indes einfacher, zunächst von einer These auszugehen und ihre Konsequenzen zu durchdenken. Probieren wir's!
Die Konsequenzen der Urknall-Hypothese liegen darin, dass die ganze Welt irgendwie immer in Eile ist. Es blieb - im kosmischen Maßstab - sehr wenig Zeit, all die wunderbaren Strukturen zu bilden, die wir am Nachthimmel entdecken und die sich über Hunderte Millionen von Lichtjahren im All erstrecken. Zudem muss die Urknall-Welt eines Tages wieder sterben: Entweder folgt auf den "Big Bang" ein "Big Crash" (ein großer Zusammenbruch), wenn der Kosmos sich eines Tages nicht mehr ausdehnt, sondern alles wieder in sich zusammenstürzt. Oder aber die Welt dehnt sich ins Unendliche, bis alles in einer Hölle des ewigen Eises und der tödlichen Kälte vergangen ist und nur noch Schwarze Löcher und erloschene Sterne durch ein lebloses All treiben.
Die Konsequenzen der These vom "ewigen Kosmos" sind viel angenehmer: Die Welt existiert ewig, es gibt unendlich viele Universen, alle haben Zeit, sich zu entfalten. Ohne Anfang und Ende blüht überall im Weltraum das Leben. Was ist an einer solchen Auffassung so ketzerisch? Das fragte sich auch schon der mittelalterliche Philosoph Giordano Bruno, der ähnliche Gedanken vertrat und dafür von der Kirche verbrannt und von den Gelehrten ignoriert wurde.
So beschert uns die kleine Modifikation der alten Einsteinformel ein Universum, das seit Ewigkeiten existieren kann, in dem Leben sich entwickelt und wieder vergeht, wo alles Muße hat, sich zu entfalten, wo es viele Katastrophen, aber keinen "Urknall" und kein gewaltsames Ende gibt. Die These vom müden Licht verschafft uns eine philosophische Gelassenheit, die uns die Urknall-Theorie verwehrt.
Erschienen im P.M.-Magazin: Ausgabe 11/2001
© bei GRUNER + JAHR AG & CO
Veröffentlichung mit freundlicher Genehmigung vom Gruner + Jahr AG & Co Verlag
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